Исследование каменистых экзопланет постепенно выходит за рамки изучения только лишь их атмосфер. Астрономы всё чаще пытаются определить свойства поверхности таких миров, к которым можно отнести состав пород, следы вулканизма и даже возможную геологическую историю. Именно этой задаче посвящена работа международной группы исследователей под руководством аспиранта Института астрономии Общества Макса Планка Себастьяна Цибы и директора института Лауры Крайдберг. Используя прибор MIRI на борту космического телескопа имени Джеймса Уэбба, учёные исследовали состав поверхности экзопланеты LHS 3844 b. Результаты опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Тёмная безвоздушная суперземля
LHS 3844 b является каменистой экзопланетой, примерно на 30% крупнее Земли. Она вращается вокруг холодного, по звёздным меркам, красного карлика с чрезвычайно коротким периодом, полный оборот вокруг звезды занимает около 11 часов. Планета расположена настолько близко к своей звезде, что расстояние до неё составляет всего около трёх диаметров самой этой звезды.
Из-за такого тесного соседства LHS 3844 b находится в состоянии приливного захвата. Это означает, что время её вращения вокруг собственной оси совпадает с периодом обращения вокруг звезды. В результате одна сторона планеты постоянно обращена к светилу, а другая всё время остаётся в темноте. На дневной стороне средняя температура достигает примерно около 725 градусов Цельсия.
Система LHS 3844 расположена сравнительно близко по астрономическим меркам, на расстоянии 48,5 светового года от Земли.
По предварительным данным, поверхность планеты тёмная и может напоминать поверхность Луны или Меркурия. Такой вывод основан на анализе инфракрасного излучения, исходящего от раскалённой дневной стороны. При этом астрономы не наблюдают саму планету напрямую. Вместо этого они фиксируют периодические изменения яркости системы звезда-планета.
Прибор MIRI разделил инфракрасное излучение планеты в диапазоне от 5 до 12 микрометров на отдельные части и измерил яркость в каждом из них. Подобное распределение интенсивности света по длинам волн астрономы называют спектром. Дополнительно исследователи использовали данные космического телескопа "Спитцер", полученные несколькими годами ранее.
Наука о геологии экзопланет опирается на знания о породах и минералах Земли и других тел Солнечной системы. Циба, Крайдберг и их коллеги использовали компьютерные модели и библиотеки спектров минералов, известных на Земле, Луне и Марсе, чтобы определить, какие сигнатуры они должны создавать в условиях LHS 3844 b.
Сравнение расчётов с наблюдениями позволило достаточно уверенно исключить состав поверхности, похожий на земную кору, богатую силикатными породами вроде гранита.
Этот результат сам по себе не стал неожиданностью, так как в Солнечной системе подобная кора есть только у Земли. Однако он может многое рассказать о геологической эволюции планеты. Считается, что земная континентальная кора формируется в ходе длительных процессов переработки вещества, связанных с тектонической активностью и присутствием воды, которая играет роль своеобразной смазки для движения литосферных плит. Породы многократно плавятся и затвердевают, смешиваясь с веществом мантии, а более лёгкие минералы постепенно концентрируются у поверхности.
По словам Себастьяна Цибы, отсутствие подобной силикатной коры может означать, что тектоника плит земного типа на LHS 3844 b либо отсутствует, либо играет незначительную роль. Вероятно, на планете также крайне мало воды.
Что можно узнать о каменной поверхности экзопланеты
Вместо пород, характерных для земной коры, наблюдения указывают на состав, напоминающий базальты Луны, Земли или вещество земной мантии. Однако исследователи попытались пойти дальше и уточнить характеристики поверхности.
Статистический анализ показал, что лучше всего наблюдаемый спектр объясняется большими участками плотных базальтовых или магматических пород. Такие материалы обычно богаты магнием и железом и могут содержать минерал оливин. Неплохо соответствуют данным и поверхности, покрытые раздробленными камнями или гравием. А вот мелкодисперсные материалы, такие как пыль или порошок, первоначально казались менее вероятными, поскольку они отражают больше света и поэтому выглядят ярче.
Однако у планет без атмосферы поверхность постоянно подвергается космическому выветриванию. Главную роль в этом процессе играют жёсткое излучение звезды и удары метеоритов.
Как отмечает Циба, такие процессы не только постепенно превращают твёрдые породы в реголит (слой мелких частиц, подобный лунному грунту), но и изменяют его свойства. Частицы железа и углерода делают поверхность темнее, из-за чего её спектральные характеристики начинают лучше соответствовать наблюдениям.
После проведённого анализа у исследователей осталось два сценария, одинаково хорошо согласующихся с их данными.
Первый предполагает наличие поверхности, покрытой тёмными плотными породами базальтового или магматического происхождения. Космическое выветривание по геологическим меркам относительно быстро изменяет такие материалы, поэтому в этом случае поверхность должна быть сравнительно молодой. Это, в свою очередь, подразумевает недавнюю геологическую активность, например, масштабный вулканизм.
Второй сценарий также описывает тёмную поверхность, напоминающую Луну или Меркурий, но объясняет её наличие длительным воздействием космического выветривания. В этом случае значительные области планеты покрыты потемневшим реголитом - тонким слоем пылевидного вещества, подобным тому, который хорошо виден на снимках лунной поверхности.
Такой вариант, напротив, предполагает длительный период геологического покоя.
Главное различие между двумя сценариями связано с уровнем современной геологической активности. На Земле и других активных телах Солнечной системы подобные процессы обычно сопровождаются дегазацией недр. Одним из характерных вулканических газов считается диоксид серы SO₂.
Если бы заметные количества этого газа присутствовали в атмосфере LHS 3844 b, прибор MIRI должен был бы их обнаружить. Однако наблюдения не выявили следов SO₂. Поэтому сценарий с недавней активностью выглядит менее вероятным, и исследователи склоняются ко второму варианту, то есть поверхности, покрытой древним потемневшим реголитом. Если эта интерпретация верна, LHS 3844 b действительно может напоминать увеличенную версию Меркурия.
Чтобы проверить эту гипотезу, команда уже получила новые наблюдения с телескопа имени Джеймса Уэбба. Они должны помочь различить твёрдые скальные поверхности и рыхлые порошкообразные материалы по особенностям их теплового излучения и отражения света. На характер наблюдаемого излучения влияет и шероховатость поверхности, от неё зависит распределение углов, под которыми испускается тепло.
Подобный метод уже применяется при исследовании астероидов Солнечной системы. По мнению Лауры Крайдберг, в будущем он позволит определять свойства коры не только LHS 3844 b, но и других каменистых экзопланет.